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第50卷第1期 V〇1.50 No.l红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2021年1月Jan. 2021非制冷红外探测器研究进展（特邀）余黎静^3,唐利斌杨文运2,郝群”(1.北京理工大学光电学院信息光子技术工信部重点实验室，北京10008卜，2.昆明物理研究所，云南昆明650223;3.云南省先进光电材料与器件重点实验室，云南昆明650223)摘要：非制冷红外探测器由于无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有成本低、体积小、功耗低 等特点，在红外领域得到了广泛的应用。
在军事应用方面，非制冷型探测器的应用逐渐进入了之前制 冷型探测器的应用范围，大量应用在一些低成本的武器系统，甚至在一些应用领域取代了原来的非制 冷型探测器。
在民用领域方面，更表现出了其价格和使用方便的优势，在民用车载夜视、安防监控等应 用领域引起了广泛的兴趣和关注。
文中介绍了 Bolometer、热释电、热电堆等几种典型非制冷红外探测 器的工作原理，列举了目前已实现商业化应用的主要产品在国内外的情况，着重介绍了目前应用最广 泛的Bolometer器件主流产品的像元间距、阵列规格、性能及其封装发展的情况。
除了已实现商业化 应用的Bolometer、热释电、SO I二极管等探测器等产品，还详细介绍了一些非制冷探测新技术或新型 器件：比如超表面在增强某些波段吸收方面的应用，新材料的Bolometer探测器、双材料新型非制冷器 件、石墨烯、量子点、纳米线等光电探测技术的研究进展。
最后文章还对今后非制冷红外探测器的发展 趋势作了预测。
关键词：非制冷；红外探测器；热释电；Bolometer;封装中图分类号：TN215 文献标志码：A D O I：10.3788/IRLA20211013Research progress of uncooled infrared detectors(Invited)Yu Lijing1'2'3,Tang Libin1'2'3*,Yang Wenyun2,Hao Qun1*(1. The Laboratory of Photonics Information Technology, Ministry of Industry and Information Technology,School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China;3. Yunnan Key Laboratory of Advanced Photoelectric Materials & Devices, Kunming 650223, China)Abstract:Uncooled infrared detectors are widely used in the infrared field due to their low cost,small size,and low power consumption because they do not need the cooling device and can work at room temperature.In military application field,the uncooled detector has gradually entered the application domain of previous refrigerated detector,and has been widely used in some low-cost weapon systems,even replaced the original uncooled detectors in some application fields.In the civil field,it has shown its advantages in price and ease of use,and has aroused widespread interest and attention in civil in-vehicle night vision,security monitoring and other application field.The working theory of several typical uncooled infrared detectors such as Bolometer, pyroelectric,thermopile,etc.were introduced,and the status of the main products that have been commercialized at home and abroad was enumerated,the development of pixel pitch,array specifications,performance and收稿日期:2020-1卜24;修订日期:2020-12-08基金项目:国家重点研发计划（2019YFB2203404);云南省创新团队（2018HC020)packaging of mainstream bolometer devices was focused,which were currently the most widely used.In addition to the bolometer,pyroelectric,SOI diode and other products that had been commercialized,some new uncooled detection technologies or new detectors were introduced in detail:such as the application of metasurfaces in enhancing absorption in certain wavebands,the research progress of new materials bolometer,new bi-material uncooled devices,graphene,quantum dots,nanowires and other photoelectric detection technologies.Finally,the future development trend of u ncooled infrared detectors were predicted in the end of t he review. Key words:uncooled;infrared detector;pyroelectric;bolometer;package〇引言在红外系统中，红外探测器作为探测、识别目标 的关键，其主要作用是将人射的红外信号转化为可以 检测的电信号后进行输出。
以高灵敏为特征的氧化钒非致冷红外探测器的应用氧化钒非致冷红外探测器属于第三代红外探测器，它广泛应用于工业、农业、国防、医疗、交通等诸多领域，具有体积小、质量轻、功耗低、非致冷的优势，研究学者在多年来都致力于提升该非致冷红外探测器的灵敏度，并通过制备高电阻温度系数的氧化钒薄膜、掺氮氧化钒薄膜和黑金吸收层，提高非致冷红外探测器的性能。
文章从氧化钒非致冷红外探测器的工作原理、构造、材料制备、器件性能和测试等方面进行探讨，并论述其发展前景。
标签：氧化钒；非致冷；红外探测器；高灵敏；器件1 微机电系统和非致冷红外探测器概述微机电系统主要是依据微机电和电化学方法而实现的，其核心元件包括：传感单元和信号传输单元，由这些核心元件制成的传感器可以传感一些生物、化学、物理的参量存在和强度，具有灵敏、准确地测量最小样品量的优点，它们成批地应用于工业领域，常用的传感器有：光传感器、生物传感器、化学传感器、压力传感器，而文章研究的是基于微机电系统中微加工技术的非致冷红外传感器。
非致冷红外探测器广泛应用于军事和商务领域，成为了一种高需求技术，它通过微测辐射热实现传感功能，吸收红外能量大小有关的器件温度变化而引起的电参数的变化实现探测，由于它不是红外直接探测，因而在具有更小的尺寸、更低的功耗的优势之下，还有更长的响应延续时间，非致冷红外探测器的高性能和低功耗优势，使其在市场研发上达到很高的阵列：50um×50um和25um×25um像元尺寸，噪声等效温差可以低于30mK。
伴随着非致冷技术的发展，许多致冷型探测器的红外成像系统也开始运用非致冷探测器阵列，在更高性能的红外成像平台上发挥作用。
2 非致冷红外探测器的理论基础2.1 微测辐射热计理论微测辐射热计是电阻性光敏元，当它接收到红外辐射时，光敏材料的温度增高，电阻即发生变化，电路就可以探测到相应电阻变化引起的微弱电流变化，实现探测。
其探测器的像元膜可以选择不同的氮化硅、二氧化硅和氧化钒热敏电阻材料，以氧化钒热敏电阻材料为例：假设微测辐射热计光敏材料的温度在吸收红外辐射后变化值为△T，氧化钒薄膜电阻变化值为△R，它们之间的关系式表达为：△R=R△T。
非制冷式红外探测器原理研究摘要：随着信息技术的发展，红外探测技术已经被广泛应用于军事、民用、科研等众多领域。
其中，非制冷红外焦平面探测器具有无需制冷、成本低、功耗小、重量轻、小型化、使用灵活方便等特点，是当前非制冷红外探测技术研究和应用的热点和重点。
自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体都会发出红外辐射，红外图像传感器则将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。
红外成像技术涵盖了红外光学、材料科学、电子学、机械工程技术、集成电路技术、图像处理算法等诸多技术，红外成像装置的核心为红外焦平面探测器。
非制冷红外焦平面探测器的工作原理是利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。
敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。
非制冷红外焦平面探测器分为五大类：热释电型、热电堆型、二极管型、热敏电阻型热电容型。
本文对前四种红外探测器的工作原理进行了详细阐述，并且对每种红外焦平面探测器的关键技术例如读出电路IC技术进行了详细探究，总结了不同类型探测器的优缺点。
关键词：红外探测技术；非制冷红外焦平面探测器；读出电路；敏感元件第一章绪论1.1研究背景及课题意义随着科学技术的飞速发展以及信息社会的到来，各行各业甚至人类日常生活对信息的获取需求与日俱增。
与制冷红外成像系统相比，非制冷红外成像系统可在室温工作，省掉了昂贵且笨重的制冷设备，从而大大减小了系统的体积、成本和功耗；此外还可提供更宽的地频谱响应和更长的工作时间。
国外机构已经为军事用户提供了大量成本低、可靠性更高的高灵敏非制冷红外成像仪。
同众多高新技术一样，红外技术也是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。
红外成像系统可装备各类战术和战略武器，常用于红外预警、侦查、跟踪、导航、夜视、大地测绘和精确制导，是电子战、信息战中获取信息的主要技术之一。
与其他探测方式不同的是，红外探测属于被动探测系统，探测系统并不主动向目标发射探测信号，相反只是通过接受目标红外辐射来完成识别任务。
1 概非制冷探测器技术发展.doc况自上世纪90年代，非制冷凝视型红外热像仪迅速进入应用市场。
这种热像仪与制冷型凝视红外热像仪相比，虽然在温度分辨率等灵敏度方面还有很大差距，但具有一些突出的优点：不需制冷，成本低、功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便、灵活、消费比高。
至今，非制冷红外焦平面阵列(FPA)技术已由小规模发展到中、大规模320×320和640×480阵列，在未来的几年内有望获得超大规模的1024×1024非制冷焦平面阵列（F PA）。
像素尺寸也由50μm减小到25μm，使焦平面灵敏度进一步提高。
这种非制冷红外成像系统在军用和民用领域应用越来越广泛，部分型号产品已装备部队，尤其在轻武器（枪械）瞄准具、驾驶员视力增强器、单兵头盔式观瞄、手持式（便携）热像仪等轻武器，以及部分导弹的红外成像末制导等方面，非致冷热像仪在近年内有望部分取代价格高、可靠性差、体积大而又笨重的制冷型热成像系统。
2 现状1978年美国Texas Instruments在世界上首次研制成功第一个非制冷红外热像仪系统，主要红外材料为α-Si（非晶硅）与BST(钛酸锶钡)。
1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器，使用了硅微型机械加工技术，使热隔离性提高，成本降低。
1990-1994年美国很多公司从Honeywell获技术转让，使以VOx（氧化钒）为探测材料的非制冷探测器得到了迅速广泛发展。
VOx材料具有较高的热电阻系数，目前世界上性能最好的非制冷探测器就是采用VOx材料制备的，主要采用8~14μm波段3 20×240和160×120元的非制冷FPA器件，其结构按部件功能模块化（诸如，光学模块、FPA组件模块、信号读出处理电路模块和显示模块）。
目前市场上有热像仪整机产品，也有各种功能模块单独出售，供用户选用。
3 国外主要几家公司研制生产状况目前，国际上美国、法国、英国和日本的非制冷红外探测器研制生产水平居世界领先水平。
非制冷红外成像技术及其应用蔡毅昆明物理研究所，云南，昆明，650223摘要：红外成像技术与微光图像增强技术是夜视技术的主要组成部分。
非制冷红外成像技术包括量子型和热探测型成像技术两种，都是红外热成像技术的最新成就之一。
在本文中，比较了这两种技术的特点，讨论了非制冷红外成像技术的优点、发展趋势和应用。
关键词：非制冷，红外成像，应用Uncooled Infrared Imaging Technology and It’s ApplicationCAI YiKunming Insitute of Physics, Kunming, Yunnan, P.R.China, 650223Abstract: Night vision technology includes low-light-level image intensifier technology and infrared image technology. Uncooled infrared imaging technology is one of the newest achievements of infrared thermal imaging technology. Characterizations of the low-light-level image intensifier and Uncooled infrared imaging technologies are compared, then advantage, development and application of Uncooled infrared imaging technology is discussed in the paper.Keywords: Infrared Imaging，Uncooled Infrared Imaging，Application1．红外成像技术与微光图像增强技术的比较用于夜间观察的微光和热成像装置一般由信号接收、转换、处理和显示等四大部分组成。
红外成像阵列与系统—非制冷红外热像仪简述2013年11月8日非制冷红外热像仪简述摘要：非制冷红外热像仪是目前主流的夜视观察仪器之一,因其较高的可靠性在军事领域的低端应用、民用等方面有广阔的前景。
它通过被测物体向外界发出的辐射能量来得到物体对应的温度。
本文主要就非制冷红外热像仪的测温原理、发展状况、系统设计及其性能参数做简单的分析及介绍。
比较了两种不同情况下的测温公式的优劣并且做出了相关推导，简单介绍了基于FPGA的非制冷红外热像仪的电路系统和通用型非制冷红外热像仪的性能参数及其一般测定方法。
对以后的红外热成像系统的学习起到了一定帮助。
关键字：非制冷红外热像仪；测温原理；发展状况；系统设计；性能参数The brief description of uncooled infrared thermalimagerYu Chun-kai, Wang Hui-ting, Qi Xiao-yun, Xu Jian Abstract: Currently, uncooled infrared thermal imager is one kind of mainstream devices on night vision. Because of its high reliability, uncooled infrared thermal imager has a broad prospect of application in military and civil field. It gains temperature of the detected object by the infrared radiation the object emits. This paper simply analyses and introduces temperature measuring principle, development status, system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imager. We compared two different temperature measuring formulae in their respective situations and did the relevant derivation. We also introduced the circuit system which based on FPGA in uncooled infrared thermal imager and the performance parameter of general uncooled infrared thermal imager. This paper provides us much promotion about the future study of infrared thermal imaging system.Key words: uncooled infrared thermal imager; temperature measuring principle; development status; system design; performance parameter0 前言红外热像仪是一种可探测目标的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等手段将目标物理的温度分布图像转换为视频图像的设备[1]。
1 用于军事和科研领域的制冷型红外探测器发展情况适用于制冷型红外单色探测器的主流材料是InSb和碲镉汞。
InSb中波红外探测器技术相对成熟，比较容易做成低成本、大面积、均匀性好、高性能的探测器阵列。
但它也存在如工作温度不能提高等一些缺点。
适用于多波长探测的低温红外探测器的材料一般有三种，包括碲镉汞（HgCdTe）、量子阱（QWIPs）和Ⅱ类超晶格。
表6：制冷型红外探测器敏感材料对比敏感材料技术特点锑化铟技术成熟，成本较低，只能用于单色制冷红外探测器，军民大量应用，尤其以红外空空导弹为多。
碲镉汞通过改变镉的组份，可以精确的控制碲镉汞材料的禁带宽度，覆盖短波、中波和长波红外。
但是由于微小的组分偏差就会引起很大的带隙变化，其材料的稳定性、抗辐射特性和均匀性都相对较差，所以成品率较低，成本非常高。
量子阱生长技术成熟，并且生长面型均匀，受控性好；价格低廉、产量大、热稳定性高。
但其结构特殊性使得正入射光无法很好地被探测器吸收，致使量子阱探测器的量子效率并不理想。
Ⅱ类超晶格拥有较高的探测灵敏度，几乎可以与碲镉汞相媲美。
隧穿电流和暗电流均较小，对工作温度的要求相对宽松。
提高性能、缩小体积和降低成本是目前碲镉汞探测器的三大研究方向。
国内研究碲镉汞红外探测器的单位主要包括昆明物理研究所、高德红外。
昆明物理所从2006年就开始着手碲镉汞中波红外探测器的研发工作，并于2010年实现了量产。
2015年，昆明物理研究所量产的640×512中波红外探测器实现了在温度为110K，NETD为19.7mK，有效像元率为99.33%的技术指标，标志着我国中波探测器性能指标基本达到同一时期发达国家的技术水平。
据高德红外子公司高芯科技官网显示，该公司研制了国内最新款制冷型碲镉汞中波红外探测器CB12M MWIR，其面阵规格为1280×1024，像元尺寸为12μm，NETD小于20Mk（F2/F4）。
技术指标达到国内外顶尖水平。
非制冷红外热成像系统研究非制冷红外热成像系统研究一、引言近年来，红外热成像技术在军事、安防、医学、工业等领域得到了广泛的应用。
传统的红外热成像系统主要基于制冷红外探测器，这些探测器需要高昂的成本、复杂的维护和制冷设备。
然而，随着红外技术的不断发展，非制冷红外热成像系统逐渐成为了研究的热点。
二、非制冷红外热成像系统原理非制冷红外热成像系统基于热辐射现象，通过探测目标物体发出的红外辐射，将其转化为图像信号，实现对目标物体表面温度的测量与显示。
与制冷红外探测器不同，非制冷红外热成像系统采用了无需制冷的探测器，大大降低了设备的成本和维护的复杂性。
三、非制冷红外热成像系统的关键技术1. 探测器技术非制冷红外热成像系统的关键技术之一是探测器技术。
当前非制冷红外探测器主要包括未冷却红外探测器和热电偶阵列探测器。
未冷却红外探测器是利用红外辐射热量改变电阻、电容或电压等特性的材料进行测量，具有工作温度较高、成本较低等特点；热电偶阵列探测器则是利用热电效应，在一定温度范围内实现红外辐射的探测。
2. 图像处理技术非制冷红外热成像系统中图像处理技术的重要性不言而喻。
图像处理技术包括图像增强、辐射校正、噪声处理等。
图像增强技术主要用于增强图像的对比度、细节和边缘；辐射校正技术主要用于获得准确的目标表面温度；噪声处理技术主要用于抑制图像中的噪声。
3. 热画面分析技术非制冷红外热成像系统的最终目标是对目标物体的热画面进行分析。
热画面分析技术主要包括目标检测、目标识别以及温度测量等。
目标检测技术主要用于在图像中自动检测目标物体；目标识别技术主要用于识别目标物体的类别；温度测量技术主要用于测量目标物体的表面温度。
四、非制冷红外热成像系统的应用领域1. 军事应用非制冷红外热成像系统在军事领域有着广泛的应用。
它可以用于军事目标的侦查与追踪、目标的识别与瞄准、夜视装备等方面，提高了战场的情报获取和打击能力。
2. 安防应用非制冷红外热成像系统在安防领域也有着重要的应用。
制冷型和非制冷型的红外成像仪原理Infrared imaging cameras, also known as thermal imaging cameras, are an important tool in various industries. They are used to detect and visualize the temperature of objects and materials by capturing the infrared radiation emitted by them. The two main types of infrared imaging cameras are refrigerated (cryogenic) and uncooled.红外成像仪，也称为热成像仪，在各行各业中都是重要的工具。
它们通过捕获物体和材料发射的红外辐射来检测和可视化它们的温度。
红外成像仪主要有两种类型，即制冷型（冷却型）和非制冷型。
Refrigerated infrared cameras, also known as cryogenic cameras, use a cooling system to maintain the detector at a very low temperature, typically around -320°F (-196°C). This cooling process allows the detector to be more sensitive to the infrared radiation and produce higher resolution images. The cryogenic cooling system usually involves using a mechanical refrigeration system or a Stirling cooler to achieve the low temperatures required for optimal performance.制冷型红外相机，也称为冷却型相机，采用冷却系统将探测器保持在非常低的温度，通常约为-320°F（-196°C）。
